JP2015141958A

JP2015141958A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器

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Publication number: JP2015141958A
Application number: JP2014012969A
Authority: JP
Inventors: 杉山　誠; Makoto Sugiyama; 誠杉山; 辰乙郁; Shinitsu Iku
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-08-03

Abstract

【課題】本発明は、冷却装置において、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却することを目的とするものである。【解決手段】受熱部３と、放熱部４と、受熱部３と放熱部４とを接続する放熱経路５と帰還経路６とを備え、受熱部３は、隣接する複数の発熱体２ａ、２ｂに接触させて熱を吸収する受熱板８と、受熱空間１６を形成する受熱板カバー１７と、受熱板カバー１７の各発熱体２ａ、２ｂと対向する天面に１つずつ設けた冷媒の流入口１４と、受熱板カバー１７の各発熱体２ａと隣接する発熱体２ｂの境目と対向する天面に設けた冷媒の排出口１３と、導入管１０と、フィン１１と、受熱板８の各発熱体２ａと隣接する発熱体２ｂの境目に受熱板８から受熱板カバー１７まで垂直方向に突出して設けた仕切板１２と、を備え、帰還経路６には、逆止弁９とを備え、仕切板１２は、流入口１４に近い側に開口部１５を有する構成とした。【選択図】図４

Description

本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子部品を搭載した電子機器の冷却装置およびこれを搭載した電子機器に関するものである。

従来、この種の冷却装置は、以下のような構成となっていた。

すなわち、受熱部と、この受熱部の排出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱板カバーとを備え、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記流入口の上流側には、凝縮した前記冷媒を前記逆止弁の上流側に停留させる流入管を備え、前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散板を備え、前記流入口から前記冷媒流入部に向けて延設し、凝縮した冷媒を流入させる導入管を備え、前記受熱部の受熱板は、略鉛直方向に配置され、前記導入管は、前記受熱板に対して略垂直方向に配置される構成となっていた。

例えば、これに類似する先行文献として下記特許文献１参照。

特許第４９７８４０１号公報

特許文献１に示された冷却装置は、基本的には、１つの冷却装置が１つの発熱体を冷却するものである。従って、電子機器が複数の発熱体を有する場合は、複数の冷却装置を備える必要があるが、限られた電子機器のスペースにおいて複数の冷却装置を備えることは困難である。

仮に、特許文献１に示された冷却装置を用いて、１つの冷却装置で複数の発熱体を冷却しようとすると、次のような課題がある。

複数の電子機器が複数の発熱体を有する場合、すなわち、発熱体となる電子部品が複数ある場合、すべての発熱体となる電子部品が同時に稼動するとは限らず、稼動している電子部品と稼動していない休止状態の電子部品が同時に混在することとなる。複数の発熱体となる電子部品を特許文献１に示された１つの冷却装置で冷却しようとすると、受熱部の受熱板に稼動している電子部品と稼動していない電子部品が同時に混在して接触することとなるので、受熱板は、稼動している電子部品に接触している箇所は高温となり、稼動していない電子部品に接触している箇所は低温となる。受熱空間内において、受熱板の高温の箇所の周辺の圧力は、低温の箇所の周辺と比較して高くなる。これにより、受熱部に流入した冷媒は、圧力の低い低温の箇所に流入しやすくなり、圧力の高い高温箇所に流入しにくくなる。すなわち、冷媒を流入して冷却する必要のある高温箇所に冷媒が流入しにくくなるため、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトを生じ、結果として熱伝達率が大きく低下してしまうのである。

そこで本発明は、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱部と、放熱部と、この受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記受熱部は、隣接する複数の発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの前記各発熱体と対向する天面に１つずつ設けた前記冷媒の流入口と、前記受熱板カバーの前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目と対向する天面に設けた前記冷媒の排出口と、前記流入口から前記受熱板の近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する導入管と、前記受熱板から突出する複数のフィンと、前記受熱板の前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目に前記受熱板から前記受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けた仕切板と、を備え、前記排出口は前記放熱経路に接続され、前記流入口は前記帰還経路に接続され、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記導入管内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備え、前記仕切板は、前記流入口に近い側に開口部を有することを特徴とする冷却装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、受熱部と、放熱部と、この受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記受熱部は、隣接する複数の発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの前記各発熱体と対向する天面に１つずつ設けた前記冷媒の流入口と、前記受熱板カバーの前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目と対向する天面に設けた前記冷媒の排出口と、前記流入口から前記受熱板の近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する導入管と、前記受熱板から突出する複数のフィンと、前記受熱板の前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目に前記受熱板から前記受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けた仕切板と、を備え、前記排出口は前記放熱経路に接続され、前記流入口は前記帰還経路に接続され、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記導入管内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備え、前記仕切板は、前記流入口に近い側に開口部を有することを特徴とするものであり、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却できる冷却装置を提供することができるものである。

前述のとおり、電子機器が複数の発熱体を有する場合、すなわち、発熱体となる電子部品が複数ある場合、すべての発熱体となる電子部品が同時に稼動するとは限らず、稼動している電子部品と稼動していない休止状態の電子部品が同時に混在することとなる。受熱部の受熱板に稼動している電子部品と稼動していない電子部品が同時に混在して接触するこことなるので、受熱板は、稼動している電子部品に接触している箇所は高温となり、稼動していない電子部品に接触している箇所は低温となる。受熱空間内において、受熱板の高温の箇所の周辺の圧力は、低温の箇所の周辺と比較して高くなる。これにより、受熱部に流入した冷媒は、圧力の低い低温の箇所に流入しやすくなり、圧力の高い高温箇所に流入しにくくなる。

本発明によれば、仕切板は、受熱板の各発熱体と隣接する発熱体の境目に受熱板から受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けられ、流入口に近い側に開口部を有することにより、流入口に近い側に設けた開口部により、流入口周辺の高温の箇所と低温の箇所が連通するので、高温の箇所と低温の箇所との圧力差を極めて小さくすることができる。従って、流入口から供給される冷媒は、圧力差の影響を受けることなく、高温の箇所に位置する流入口からも低温の箇所に位置する流入口からも同様に受熱部内に供給される。受熱部内に供給された冷媒は、圧力の低い低温の箇所に流入しやすいが、受熱板の各発熱体と隣接する発熱体の境目に受熱板から受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けられた仕切板により、圧力の高い高温の箇所に位置する流入口に供給された冷媒が、圧力の低い低温の箇所に流入しようとする冷媒の流れを妨げるため、稼動している電子部品に接触している高温の箇所に流入する冷媒が不足せず、ドライアウトを生じることなく、高温の箇所から冷媒が熱を奪うので、効率的に冷却できるのである。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図同冷却装置の受熱部の構成を示す図（ａ）同冷却装置の受熱部のＡ−Ａ‘断面を示す図、（ｂ）同冷却装置の受熱部のＢ−Ｂ‘断面を示す図同冷却装置の受熱部のＣ−Ｃ‘断面を示す図

本発明の冷却装置は、受熱部と、放熱部と、この受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記受熱部は、隣接する複数の発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの前記各発熱体と対向する天面に１つずつ設けた前記冷媒の流入口と、前記受熱板カバーの前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目と対向する天面に設けた前記冷媒の排出口と、前記流入口から前記受熱板の近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する導入管と、前記受熱板から突出する複数のフィンと、前記受熱板の前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目に前記受熱板から前記受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けた仕切板と、を備え、前記排出口は前記放熱経路に接続され、前記流入口は前記帰還経路に接続され、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記導入管内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備え、前記仕切板は、前記流入口に近い側に開口部を有する構成とすることにより、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却できる冷却装置を提供することができるものである。

電子機器が複数の発熱体を有する場合、すなわち、発熱体となる電子部品が複数ある場合、すべての発熱体となる電子部品が同時に稼動するとは限らず、稼動している電子部品と稼動していない休止状態の電子部品が同時に混在することとなる。受熱部の受熱板に稼動している電子部品と稼動していない電子部品が同時に混在して接触するこことなるので、受熱板は、稼動している電子部品に接触している箇所は高温となり、稼動していない電子部品に接触している箇所は低温となる。受熱空間内において、受熱板の高温の箇所の周辺の圧力は、低温の箇所の周辺と比較して高くなる。これにより、受熱部に流入した冷媒は、圧力の低い低温の箇所に流入しやすくなり、圧力の高い高温箇所に流入しにくくなる。

また、仕切板は、排出口の下に位置する部位の幅を他の部位の幅より小さくする構成としてもよい。これにより、排出口を仕切板で塞ぐ面積を小さくすることができるので、排出口から排出される冷媒の流れを妨げにくくすることができる。また、仕切板の他の部位の幅を確保することにより、フィンが形成する冷媒の流路より大きな幅の流路を仕切板の両側に形成して、その幅の広い流路に冷媒が偏って流入することを防ぐことができる。

また、本発明の冷却装置を搭載した電子機器という構成にしてもよい。これにより、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却できる効果を奏する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図である。

図１に示すように、電子機器５０は、ケース５１内に複数の発熱体２ａ、２ｂとなる電力用半導体素子と冷却装置１とが備えられている。

冷却装置１は、複数の発熱体２ａ、２ｂを冷却するための受熱部３と、放熱部４を備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４が連結されている。この構成により、冷却装置１は内部が密閉空間となり、図１では図示していないが、冷却装置１内は、減圧した上で、冷媒である作動流体が封入されている。作動流体としては、純水、エタノール、フロン類、フッ素系溶剤類などが用いられる。

また、冷却装置１は、放熱部４に冷媒により輸送した熱を最終的に外気に放熱するためのファン７を備えている。

また、帰還経路６は、受熱部３の直前で分岐し、複数の流入口１４に各々連結される。これにより、複数の流入口１４に各々別個の帰還経路６を設けるよりも、配管を少なくすることができ、冷却装置１のサイズを小型化することができる。結果として、小型化が求められる電子機器５０内の限られたスペースを有効に活用することができる。

次に、図２、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図２は本発明の実施の形態１の冷却装置１の受熱部３の構成を示す図、図３（ａ）は本発明の実施の形態１の冷却装置１の受熱部３のＡ−Ａ‘断面を示す図、図３（ｂ）は本発明の実施の形態１の冷却装置１の受熱部３のＢ−Ｂ‘断面を示す図である。

図３（ａ）に示すように、受熱部３は、複数の発熱体２ａ、２ｂに接触させて熱を吸収する受熱板８と、この受熱板８の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間１６を形成する受熱板カバー１７とを備えている。

この受熱板カバー１７には、各発熱体２ａ、２ｂと対向する受熱板カバー１７の天面に１つずつ冷媒の流入口１４を設ける。この流入口１４は、帰還経路６に接続される。これにより、放熱部４は、帰還経路６、流入口１４を介して、受熱部３と接続される。

帰還経路６には、流入口１４に凝縮して停留した冷媒の水頭圧と帰還経路６内と導入管１０内との圧力バランスによって開動する逆止弁９を設ける。

さらに、受熱板カバー１７には、発熱体２ａと隣接する発熱体２ｂとの境目と対向する受熱板カバー１７の天面の側壁に近い位置に冷媒の排出口１３を設ける。この排出口１３は、放熱経路５に接続される。受熱部３は、排出口１３、放熱経路５を介して、放熱部４に接続される。

流入口１４は、排出口１３を設けた受熱部の側壁と対面する側壁の近傍であって、発熱体２ａ、２ｂの側壁に沿う辺の中央付近に各々設ける。

受熱部３には、冷媒の流入口１４から受熱板８の近傍まで延びるとともに受熱板８に対向して開口する導入管を設ける。

受熱板８には、受熱板８から突出する複数の板状のフィン１１を設ける。このフィン１１の先端は、受熱板カバー１７には接しない高さとし、フィン１１の先端から受熱板カバー１７までは、空間が存在する。

受熱板８には、各発熱体２ａと隣接する発熱体２ｂの境目に受熱板８から受熱板カバー１７まで垂直方向に突出して設けた仕切板１２を設ける。

図３（ｂ）および図４に示すように、仕切板１２は、流入口１４に近い側に開口部１５を有する。すなわち、仕切板１２は、排出口１３に近い側の側壁から、対面の流入口１４に近い側の側壁の方向に設けられる板状の仕切である。排出口１３に近い側の側面には接しているが、対面の流入口１４に近い側の側壁には接っすることなく、空間を残して設ける。この空間が開口部１５である。

次に、上記構成における冷却装置１の基本的な仕組みについて説明する。

冷却装置１は、内部を減圧した後に冷媒である作動流体を封入したものであり、冷却装置１内は、作動流体の作用により外部温度に応じた作動流体の飽和圧力となる。発熱体２ａ、２ｂの熱は受熱部３の受熱板８を介して作動流体に伝わり、作動流体が液相から気相へと変化することで、発熱体２ａ、２ｂが冷却される。受熱部３内にて気化した作動流体は、放熱経路５を通過し放熱部４へと移動し、ファン７により冷やされ再び液化し液相の作動流体となり逆止弁９の上流に位置する帰還経路６内部に溜まる。

逆止弁９は、導入管１０の内部圧力が、帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧よりも大きくなった場合に閉まることで、受熱部３内にて気化した作動流体が帰還経路６へ逆流することを防止する。また、逆止弁９は、導入管１０の内部圧力よりも、帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧が大きくなった場合に開くことで、帰還経路６から導入管１０に液相の作動流体が供給される。すなわち、導入管１０の内部圧力と帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧とのバランスにより、自動的に受熱部３内に液相の作動流体が供給される仕組みとなっている。

よって、受熱部３内にて作動流体が気化し、気化した作動流体が放熱経路５を通過し放熱部４にて液化し、液化した作動流体が帰還経路６を通過し再び受熱部３内に供給されるサイクルが繰り返されることで、発熱体２ａ、２ｂを冷却している。

本実施の形態では、複数の発熱体２ａ、２ｂに接する受熱板８に受熱板８から突出する板状のフィン１１を複数、隣接して並列に設ける。これにより、発熱体２ａ、２ｂから受熱板８に受熱した熱をフィン１１の広い表面から放熱して冷媒に熱を伝達することができるので、効率的に発熱体２ａ、２ｂの熱を冷媒に伝達することができる。

なお、本実施の形態では、隣接する発熱体を２個としたが、隣接する発熱体が３個以上でも同様の作用・効果を生じる。

受熱部３への冷媒の流入口１４は、発熱体２ａ、２ｂに各１つずつ設ける。流入口１４を設ける位置は、受熱板カバー１７の発熱体２ａ、２ｂの投影面の内側であり、受熱板カバー１７の一方の側壁の近傍である。なお、側壁の近傍ではあるが、側壁からある程度の距離をおいて設ける。これにより、流入口１４に連結された帰還経路６から受熱部３に流入した冷媒が、拡散されるスペースを確保することができるので、冷媒を受熱板８上に効率よく拡散して、受熱板８からフィン１１を介して冷媒に熱を伝達することができる。

さらに、流入口１４は、発熱体２ａ、２ｂの側壁に沿う辺の中央付近に各々設ける。これにより、流入口１４の側壁に沿う辺の両側にスペースを確保することができるので、流入口１４に連結された帰還経路６から受熱部３に流入した冷媒が、拡散されるスペースを確保することができるので、冷媒を受熱板８上に効率よく拡散して、受熱板８からフィン１１を介して冷媒に熱を伝達することができる。

受熱部３からの冷媒の排出口１３は、発熱体２ａと、これと隣接する発熱体２ｂとの境目であって、流入口１４を設けた側の側壁とは反対側の側壁の近傍に設ける。これにより、流入口１４に連結された帰還経路６から流入した冷媒が、流入口１４が位置する一方の側壁の近傍から、排出口１３が位置する反対側の側壁の近傍までの広い範囲に流れて拡散されるので、受熱板８からフィン１１を介して効率よく冷媒に熱を伝達することができる。

なお、排出口１３は冷媒を吸い込んで放熱経路５に排出するものであるので、受熱部３の側壁から距離をおく必要はなく、できるだけ側壁に近い位置に設ける。排出口１３は、流入口１４のように、冷媒を拡散させるペースは必要なく、前述のとおり流入口１４から距離が離れている方が効率よく熱を冷媒に伝達できるからである。

受熱板８の発熱体２ａと隣接する発熱体２ｂとの境目には、仕切板１２を設ける。仕切板１２は、受熱板８から受熱板カバー１７まで垂直方向に突出する板状体である。仕切板１２は、排出口１３に近い側の受熱部３の側壁から流入口１４に近い反対側の側壁方向に、発熱体２ａ、２ｂの境目に沿って設ける。仕切板１２は、排出口１３に近い側の受熱部３の側壁には接するが、流入口１４に近い反対側の側壁には接することなく、この側壁との間に開口部１５をおいて設ける。

これにより、流入口１４に近い側に設けた開口部１５により、流入口１４周辺の高温の箇所（発熱体２ａ）と低温の箇所（発熱体２ｂ）が連通するので、高温の箇所（発熱体２ａ）と低温の箇所（発熱体２ｂ）との圧力差を極めて小さくすることができる。従って、流入口１４から供給される冷媒は、圧力差の影響を受けることなく、高温の箇所（発熱体２ａ）に位置する流入口１４からも低温の箇所（発熱体２ｂ）に位置する流入口１４からも同様に受熱部３内に供給される。受熱部３内に供給された冷媒は、圧力の低い低温の箇所（発熱体２ｂ）に流入しやすいが、受熱板８の発熱体（発熱体２ａ）と隣接する発熱体（発熱体２ｂ）の境目に受熱板８から受熱板カバー１７まで垂直方向に突出して設けられた仕切板１２により、圧力の高い高温の箇所（発熱体２ａ）に位置する流入口１４に供給された冷媒が、圧力の低い低温の箇所（発熱体２ｂ）に流入しようとする冷媒の流れを妨げるため、稼動している電子部品（発熱体２ａ）に接触している高温の箇所（発熱体２ａ）に流入する冷媒が不足せず、ドライアウトを生じることなく、高温の箇所（発熱体２ａ）から冷媒が熱を奪うので、効率的に冷却できるのである。

仕切板１２は、排出口１３の下に位置する部位の幅を他の部位の幅より小さくする構成としてもよい。これにより、排出口１３を仕切板１２で塞ぐ面積を小さくすることができるので、排出口１３から排出される冷媒の流れを妨げにくくすることができる。また、仕切板１２の他の部位の幅を確保することにより、フィン１１が形成する冷媒の流路より大きな幅の流路を仕切板１２の両側に形成して、その幅の広い流路に冷媒が偏って流入することを防ぐことができる。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、効率的に冷却することを可能とするものであるので、電子機器等の冷却装置として有用である。

１冷却装置
２ａ、２ｂ発熱体
３受熱部
４放熱部
５放熱経路
６帰還経路
７ファン
８受熱板
９逆止弁
１０導入管
１１フィン
１２仕切板
１３排出口
１４流入口
１５開口部
１６受熱空間
１７受熱板カバー
５０電子機器
５１ケース

Claims

受熱部と、放熱部と、この受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、
前記受熱部は、
隣接する複数の発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、
この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱板カバーと、
この受熱板カバーの前記各発熱体と対向する天面に１つずつ設けた前記冷媒の流入口と、
前記受熱板カバーの前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目と対向する天面に設けた前記冷媒の排出口と、
前記流入口から前記受熱板の近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する導入管と、
前記受熱板から突出する複数のフィンと、
前記受熱板の前記各発熱体と隣接する前記発熱体の境目に前記受熱板から前記受熱板カバーまで垂直方向に突出して設けた仕切板と、
を備え、
前記排出口は前記放熱経路に接続され、
前記流入口は前記帰還経路に接続され、
前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記導入管内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備え、
前記仕切板は、前記流入口に近い側に開口部を有することを特徴とする冷却装置。
前記仕切板は、排出口の下に位置する部位の幅を他の部位の幅より小さくすることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
請求項１または２に記載の冷却装置を搭載した電子機器。